基于表面能的Sasobit?影響WMA劈裂強(qiáng)度機(jī)理研究

孔令云，徐 燕，成志強(qiáng)

（1.重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.四川省內(nèi)江市交通運(yùn)輸局，四川 內(nèi)江 641000；3.山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

傳統(tǒng)瀝青混合料拌和技術(shù)一般分為熱拌與冷拌兩種，其中熱拌瀝青混合料耗能多，污染大，而冷拌瀝青混合料使用范圍有限.鑒于兩者缺陷，溫拌瀝青混合料（WMA）應(yīng)運(yùn)而生.溫拌瀝青混合料是一類(lèi)使用特定技術(shù)或降黏劑使混合料在較低溫度下進(jìn)行拌和、攤鋪及壓實(shí)，其拌和溫度介于熱拌（150～180℃）瀝青混合料和冷拌（30～50℃）瀝青混合料之間，性能達(dá)到（接近）熱拌瀝青混合料的新型路面材料［1］.Sasobit?溫拌劑可直接摻入瀝青結(jié)合料中，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械攪拌即可使用，不需要高速剪切拌和［1－2］，因此被廣泛應(yīng)用.但相關(guān)研究［3－5］發(fā)現(xiàn)，相同礦料且同種級(jí)配的瀝青混合料在摻入Sasobit?溫拌劑后會(huì)使其劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度明顯降低，但目前對(duì)造成這種現(xiàn)象的原因尚無(wú)深入研究.

一般情況下，瀝青與礦料的黏附性會(huì)直接影響到瀝青混合料劈裂強(qiáng)度.相關(guān)文獻(xiàn)［6－8］表明，可采用瀝青表面自由能來(lái)表征瀝青的黏附性，而瀝青的黏附性又直接關(guān)系到混合料的劈裂強(qiáng)度.因此，本研究從材料表面能角度出發(fā)，首先通過(guò)躺滴法測(cè)定了Sasobit?溫拌劑摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文所涉及的摻量等除特別指明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0%，2%，3%，4%的瀝青表面自由能（SFE），并分析SFE 及相關(guān)參數(shù)的影響；其次對(duì)應(yīng)成型不同Sasobit?溫拌劑摻量下的瀝青混合料馬歇爾試件，并測(cè)定試件劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度；最后分析不同Sasobit?溫拌劑摻量下瀝青混合料劈裂強(qiáng)度與瀝青表面自由能之間的關(guān)系，以此探究Sasobit?溫拌瀝青混合料劈裂強(qiáng)度降低的原因，為Sasobit?溫拌瀝青混合料性能改善提供理論基礎(chǔ).

1 瀝青表面自由能測(cè)定原理

表面自由能為在真空條件下分開(kāi)固體或液體并產(chǎn)生一個(gè)新的界面所需要的功［9－10］.依據(jù)Fowkes［11］以及Owens［12］的研究理論，瀝青表面自由能可表示為：

式中：γb為瀝青表面自由能，mJ／m2；分別為瀝青色散分量和極性分量，mJ／m2.

瀝青的色散分量與極性分量可依據(jù)Young角度方程［13］進(jìn)行計(jì)算.Young接觸角如圖1所示.

依據(jù)圖1可建立Young角度方程，其實(shí)質(zhì)為液體在固體表面上的接觸角度與材料表面自由能的關(guān)系，其公式為：

圖1 Young接觸角示意圖Fig.1 Young contact angle diagram［13］

式中：γgs為固體的表面張力；γgl為液體的表面張力；γls為固體－液體的界面張力；θ為γgl與γls的夾角.

固體－液體的界面張力又可表示為：

式中：γl為液體表面能；γs為固體表面能；為液體色散分量；為液體極性分量；為固體色散分量；為固體極性分量.

綜合上述各式可推出：

2 瀝青表面自由能測(cè)定

采用高速剪切機(jī)分別制備Sasobit?摻量為0%，2%，3%，4%的瀝青樣品并加熱至163 ℃，將3cm×6cm 薄鋁板置于烘箱中，60 ℃條件下預(yù)熱2h后蘸入瀝青，并懸掛起來(lái)，冷卻至室溫后，將其置于干燥環(huán)境中，24h后即可進(jìn)行接觸角測(cè)試.試驗(yàn)環(huán)境溫度為25℃.

采用HARKE－SPCAx1接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定不同滴定液體與瀝青的接觸角.所選滴定液體均具有較大表面自由能且各不相同［14］，常溫下不易與瀝青發(fā)生反應(yīng).滴定液體基本參數(shù)［15］見(jiàn)表1.

表1 25℃下5種滴定液體的表面自由能及各分量Table 1 SFE and each component of liquid at 25℃［15］

滴定液體與瀝青接觸后成像，測(cè)定液滴高度H與寬度2R，依據(jù)式（7）［16］反算接觸角.每種滴定液體進(jìn)行5次測(cè)角，每次測(cè)角時(shí)采用小液滴法進(jìn)行6次測(cè)量，即每種滴定液體條件下的瀝青試樣有30個(gè)角度測(cè)量值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 25℃下所測(cè)接觸角的平均值及相對(duì)誤差Table 2 Average value and relative error of contact angle at 25℃

為驗(yàn)證數(shù)據(jù)有效性，采用Kwok方法［10，17］進(jìn)行檢驗(yàn)：對(duì)于給定的某一固體，不同滴定液體的γlcosθ與γ1存在線(xiàn)性關(guān)系.本研究中線(xiàn)性決定系數(shù)R2均大于0.85，說(shuō)明這兩者的線(xiàn)性關(guān)系較為明確.依據(jù)式（1）回歸計(jì)算不同Sasobit?摻量下的瀝青表面自由能，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 不同Sasobit?摻量下的瀝青表面自由能及各分量Fig.2 SFE of asphalts with different contents of Sasobit?

由圖2可知：

（1）所測(cè)瀝青表面自由能為24.920～28.633mJ／m2，與已有文獻(xiàn)［16］相近；與極性分量相比，色散分量所占瀝青表面自由能的比例較大［18－19］.

（2）與未摻Sasobit?時(shí)相比，摻入Sasobit?后使得瀝青表面自由能降低，與文獻(xiàn)［10］結(jié)論一致，但Sasobit?溫拌劑摻量與瀝青表面自由能的降低幅度無(wú)明顯規(guī)律.

（3）與未摻Sasobit?時(shí)相比，摻入Sasobit?后瀝青的色散分量降低，但同時(shí)增大了瀝青的極性分量，且Sasobit?摻量為2%，4%時(shí)，瀝青極性分量的增幅較明顯.

（4）與未摻Sasobit?時(shí)相比，摻入2%，3%，4%Sasobit? 后，瀝青表面自由能的降幅分別達(dá)到5.1%，3.6%，11.3%；色散分量降幅達(dá)到8.4%，4.0%，14.9%；極性分量增幅則達(dá)到68.9%，5.3%，69.2%，說(shuō)明Sasobit?對(duì)瀝青極性分量影響較大，而對(duì)瀝青表面自由能、色散分量的影響較小.

3 混合料劈裂強(qiáng)度測(cè)定

試驗(yàn)中制備AC－13C型Sasobit?溫拌瀝青混合料馬歇爾試件.所用原材料：Sasobit?摻量分別為基質(zhì)70＃瀝青質(zhì)量的0%，2%，3%，4%；集料分別采用石灰?guī)r、花崗巖.混合料級(jí)配見(jiàn)表3，根據(jù)馬歇爾設(shè)計(jì)方法，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)確定的油石比為4.8%.試件成型條件：基質(zhì)瀝青混合料擊實(shí)溫度為150℃，根據(jù)“擊實(shí)溫度－空隙率”關(guān)系（見(jiàn)表4），確定溫拌瀝青混合料擊實(shí)溫度為130℃（拌和后的基質(zhì)瀝青混合料置于150℃烘箱中、溫拌瀝青混合料置于130℃烘箱中各恒溫2h）；采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀雙面擊實(shí)各50次［20］.試驗(yàn)分成未凍組試件（在25 ℃水浴中2h）及凍融組試件（按規(guī)范［20］對(duì)其進(jìn)行凍融循環(huán)）.測(cè)試2 組試件的（凍融）劈裂強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.

表3 級(jí)配設(shè)計(jì)表Table 3 Gradation design

4 瀝青表面自由能與劈裂強(qiáng)度關(guān)聯(lián)分析

從圖2及表5可知，無(wú)論是花崗巖或石灰?guī)r，瀝青表面自由能較大時(shí)，則瀝青混合料劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度較大；隨著Sasobit?溫拌劑摻量的增加，瀝青表面自由能變化規(guī)律與對(duì)應(yīng)混合料的劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度變化規(guī)律相似，說(shuō)明瀝青表面自由能的變化可較好解釋瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的波動(dòng)規(guī)律.

表4 Sasobit?溫拌瀝青混合料擊實(shí)溫度及其空隙率Table 4 Compaction temperature－void ratio of Sosabit?warm mix asphalt mixture

Sasobit?溫拌瀝青混合料劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度與瀝青色散分量、極性分量關(guān)系見(jiàn)圖3.

從圖3可知，石灰?guī)r或花崗巖瀝青混合料劈裂強(qiáng)度均與瀝青極性分量呈負(fù)相關(guān)，與瀝青色散分量呈正相關(guān).摻入Sasobit?溫拌劑會(huì)降低瀝青的色散分量，同時(shí)增大瀝青的極性分量，因此摻有Sasobit?溫拌劑的瀝青混合料其劈裂強(qiáng)度降低.

原因是瀝青的色散分量主要包括London色散力、Debye誘導(dǎo)力、Keesom 取向力［9］，屬于黏附功中的物理黏附分量，其絕對(duì)值越大，則物理黏附越大，因此瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度與瀝青色散分量呈正相關(guān)；而瀝青極性分量則包括Lewis酸作用力以及Lewis堿作用力［10］，其值越大，水分子就越容易吸附于瀝青表面［21］，從而導(dǎo)致瀝青與礦料界面發(fā)生剝離，最終影響瀝青混合料劈裂強(qiáng)度.

表5 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of splitting strength

根據(jù)以往研究可知，瀝青的黏附性可用瀝青表面自由能來(lái)表征，而瀝青的黏附性又直接關(guān)系到瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度［6－8］.Sasobit?固體石蠟由Fischer－Tropsch方法合成，主要為長(zhǎng)鏈脂肪族碳?xì)浠衔铮适杷?，其碳鏈長(zhǎng)度為40～100［22］，因而具有更高的熔點(diǎn)（約為100～130℃），可完全熔融于溫度高于115℃的瀝青之中.Sasobit?的摻入增大了瀝青的疏水性，降低了瀝青的表面自由能［10］.由此可見(jiàn)，本文結(jié)果與以往相關(guān)研究結(jié)論基本一致，同時(shí)進(jìn)一步明確了瀝青混合料劈裂強(qiáng)度與瀝青表面自由能之間的定量關(guān)系.

圖3 瀝青混合料劈裂強(qiáng)度與瀝青極性分量、色散分量的關(guān)系Fig.3 Relationship between splitting strength of asphalt mixture and each component of asphalt

5 結(jié)論

（1）Sasobit?溫拌劑對(duì)瀝青極性分量影響較大，對(duì)瀝青表面自由能、色散分量影響較小.

（2）瀝青表面自由能越大，瀝青混合料劈裂強(qiáng)度越大；Sasobit?溫拌劑降低了瀝青表面自由能，故摻有Sasobit?溫拌劑的瀝青混合料劈裂強(qiáng)度降低.

（3）瀝青混合料劈裂強(qiáng)度與瀝青極性分量呈負(fù)相關(guān)，而瀝青混合料劈裂強(qiáng)度與瀝青色散分量呈正相關(guān)；Sasobit?溫拌劑在一定程度上減小了瀝青的色散分量，同時(shí)較大程度地增大了瀝青的極性分量，致使摻有Sasobit?溫拌劑的瀝青混合料劈裂強(qiáng)度降低.

（4）為了提高Sasobit?溫拌瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度，改善其水穩(wěn)定性，從表面能的角度，可采取增大瀝青混合料體系表面能的措施，如在瀝青混合料中添加可增大體系表面能的材料；對(duì)Sasobit?溫拌劑進(jìn)行升級(jí)換代，增大Sasobit?溫拌瀝青的色散分量或減小其極性分量等等.

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